Сущность технологии
Сущность процесса горячей штамповки заключается в том, что готовое изделие из металла получают из нагретой до определенной температуры заготовки, воздействуя на нее давлением, для чего используется специальный штамп. При выполнении горячей штамповки температура заготовки изменяется от состояния просто нагретой поверхности до ковочной. Чтобы ограничить течение нагретого металла в ненужном направлении, на отдельных участках внутренней поверхности штампа выполняют специальные полости и выступы. Таким образом, внутренняя поверхность штампа формирует замкнутую полость (ручей), конфигурация которой полностью соответствует форме готового изделия.
Так выглядит нижняя часть простого одноручьевого штампа
Горячая объемная штамповка (ГОШ) выполняется на металлических брусках различного профиля – квадратного, прямоугольного, круглого или периодического. В отдельных случаях производство готовых изделий по технологии горячей штамповки может выполняться из сплошного металлического прутка. Изначально его часть формируется в поковку с требуемыми геометрическими параметрами, а затем ее отделяют при помощи резки. Однако, как правило, заготовки для горячей штамповки нарезают из металлического прутка.
Наибольшую эффективность штамповка деталей, предполагающая их предварительный нагрев, демонстрирует при серийном и массовом производстве. В частности, в использовании данной технологии для производства металлопродукции крупными и массовыми сериями есть целый ряд преимуществ.
- Отходы металла, из которого производится продукция, уменьшаются.
- Увеличивается производительность труда.
- При помощи данной технологии можно изготавливать изделия даже очень сложной конфигурации.
- Готовые изделия, полученные методом горячей штамповки металла, отличаются не только особой точностью геометрических параметров, но и высоким качеством поверхности.
Схема технологического процесса изготовления детали типа «шатун» методом горячей объемной штамповки
Технологический процесс горячей штамповки включает в себя большой перечень операций, выполняемых начиная с момента загрузки детали из металла в зону обработки и заканчивая выгрузкой из оборудования готового изделия. Проектирование такого процесса подразумевает соблюдение следующего алгоритма:
- выбрать метод, по которому будет изготовляться изделие: на штампах с открытым или закрытым ручьем;
- разработать подробный чертеж готовой поковки;
- установить, за сколько переходов можно сделать готовое изделие;
- для каждого перехода разработать чертеж формируемой поковки;
- в зависимости от требуемой мощности для каждого этапа технологического процесса выбрать соответствующее оборудование и сформировать штампы;
- перед горячей штамповкой нагреть заготовку, выбрав способ нагрева и режимы его выполнения;
- в зависимости от требований к качеству готового изделия определить перечень финишных операций, которым будет подвергнута поковка.
На завершающей стадии разработки технологического процесса необходимо выполнить расчет его экономических и технических показателей.
Преимущества и недостатки горячей объемной штамповки
Обработка металла, выполняемая методом горячей штамповки, может осуществляться по различным технологиям, особенности реализации которых зависят от целого ряда параметров: типа используемого оборудования, геометрических параметров и материала изготовления формируемого изделия. По технологии ГОШ можно изготавливать следующие типы деталей.
Удлиненные
В качестве таких изделий могут выступать валы различного назначения, шатуны, рычаги и другие детали подобной конструкции. Для их производства используют штамповочный пресс. Обрабатываются они методом горячей штамповки плашмя, при этом исходная заготовка подвергается операции протяжки. Заключительным этапом производства является фасонирование методом свободной ковки, выполняемое в заготовительных вальцах ковочных вальцов.
Дисковые
Это шестерни, фланцы, ступицы, крышки и другие детали круглой или квадратной конфигурации, отличающиеся относительно небольшой длиной. Чтобы изготовить продукцию данного типа, используют технологию осадки, которая выполняется в торец обрабатываемой заготовки. Для реализации такой технологии требуется использовать штамповочные переходы.
Примеры изделий, изготовленных методом горячей объемной штамповки
Технология штамповки
Технология изготовления деталей штамповкой как горячим, так и холодным способом предполагает наличие оснастки. Для обоих видов изготавливаются штампы, которые имеют определенные отличия. Применяются они для металла, который имеет разную степень толщины.
Заготовки большого размера предварительно нагреваются, а затем идет процесс ковки. В холодном состоянии толщина листа редко превышает 1 мм. С таким материалом проводятся разные операции, например, штамповка значков.
Технология проведения штамповки
Холодная штамповка
В процессе холодной штамповки листового металла нагрев не проводится. Усилия пресса хватает, чтобы проводить разделительные или формоизменяющие операции. Как результат полученная деталь, не подверженная процессу усадки. Для экономии материала штамповку проводят согласно правилам раскроя листа, которые регламентируются ГОСТом.
К холодной штамповке относятся такие операции:
- Вырубка-пробивка. В процессе вырубки готовая деталь падает в контейнер, а снаружи остаются отходы. При пробивке, наоборот, отход падает в контейнер, а деталь формируется снаружи. Конструкция штампов одинаковая. В процессе работы проводится разделительная операция, в которой участвует пуансон и матрица штампа.
- Гибка. Относится к несложной операции. Деталь укладывается между упорами на матрицу и давится сверху пуансоном.
- Вытяжка. Часто получается за несколько переходов. Для этого изготавливаются отдельные штампы. В процессе работы из круглой заготовки получается стакан, конус или полусфера. Получается это за счет перераспределения металла в исходной заготовке.
- Отбортовка. Пуансон ловит фиксатором отверстие в детали и расширяет его, отбортовывая стенки.
Важным моментом является правильный выбор зазора между пуансоном и матрицей. Эта величина зависит от толщины и вида материала. Чем толще металл, тем больше зазор. Для алюминия и других мягких материалов этот размер уменьшается. В противном случае будут образовываться заусенцы.
Горячая штамповка
В процессе изготовления деталей из металла путем горячего прессования заготовки поступают в камеру нагрева. Горячая объемная штамповка металла начинается после достижения ими температуры 1200°С. Нагретые изделия закладываются в штамп, где имеются специальные ручьи, для предварительной и окончательной штамповки.
Если нужно осадить нагретую поковку, то она ставится в пространство между двумя плоскими бойками. Оборудование запускается, и заготовка осаживается на нужный размер.
Альтернативные методы штамповки
Штамповка металла может происходить и под действием других сил:
- Взрывом. Процесс проводится в воде. Материал располагается на матрице, в которой сделано углубление нужной формы. Сверху производится взрыв. В результате заготовка заполняет ручей и приобретает нужную форму.
- Электрогидравлическая. В водной среде подается напряжение. Происходит нагрев воды. Под действием высокой температуры возникает ударная волна, которая формирует заготовку.
- Протяжка металла через валки. Этот метод позволяет придать заготовке нужную форму.
Штампованные значки изготавливаются в штампе, где в углубление пуансона закладывается эмаль.
Как делают болты холодной штамповкой?
Болты из углеродистой стали производят методом холодного штампования. Вначале берут специальную катанку и помещают в печь на 30 часов. Далее она опускается в серную кислоту для удаления ржавчины и промывается водой. После этого сталь покрывают специальным химическим веществом — фосфатом для защиты изделия от дальнейшей коррозии уже перед началом формовки.
Перед отправкой на пресс заготовки покрываются смазкой. Процесс штамповки проводится при комнатной температуре. Он заключается в прокатывании стальной проволоки через различные пресс-формы. Первым этапом идёт прокатка для распрямления и удлинения катанки, затем резка на нужные части с излишком длины. Запас необходим для формирования головки.
Каждая заготовка проходит через пресс, который формирует идеально круглый цилиндр. Затем ряд прессов плавно формирует головку по заданному виду изделия. рассмотрим формирование шестиугольника:
- Делается лёгкий выступ;
- Затем формируется внутреннее продавливание;
- Следующая форма округляет заготовку;
- И последняя отпечатывает 6 граней;
После этого наступает этап формирования резьбового конца. Острильная машина делает кромку скошенной, для более лёгкого насаживания гайки. Резьба формируется также методом холодной штамповки. Валики наносят её под высоким давлением и очень быстро — до 300 болтов в минуту.
Суть технологии
Горячая штамповка металла заключается в нагревании изделия и давлением заданного штампа формируется деталь. При этом изменение температурного режима производится до состояния, который бы образовался при ковке.
Чтобы не было вытекания металла, в конструкции штампа предусматриваются специальные полости в виде выступов. Так формируется поверхность в виде ручья соответствующая замкнутому типу, а конфигурация выполненного изделия соответствует его форме.
Исполнение горячей штамповки производиться из разнопрофильных брусков сечения: прямоугольного, квадратного или круглого. В исключительных случаях технологический процесс штамповки изделий выполняется из прутка. Для начала производят поковку с заданными размерами, а после ее делят на части. Заготовки для штампов выполняют обычно из металлического прутка.
Эффективность технологического процесса заключается в том, что ее можно применять в производстве серийных заготовок.
При применении этой технологии предприятия имеют множество преимуществ:
- Снижается процент образования металлических отходов.
- Производительность труда растет.
- Возможность выполнения сложных конструктивных элементов.
- Обеспечение точности геометрических размеров.
- Заготовки отличаются высоким качеством поверхности.
Технология изготовления детали объемной штамповкой следующая:
- резка заготовки в размер;
- нагревание в печи;
- 1 переход;
- 2 переход;
- 3 переход;
- устранение облоя и обработка металла.
По технологии штамповки выполняется огромный перечень действий от загрузки болванки в обрабатываемую зону, завершая изыманием из печи. Алгоритм подразумевает выполнение работ:
- Штампы используются с закрытым или открытым ручьями.
- Выполнить конструкторскую документацию на разработку поковки.
- Продумать за какое количество переходов выполняется заготовка.
- Выбрать подходящее оборудование, продумать, какие использовать штампы.
- Произвести нагрев поковки, выбирая способ нагрева штампа и режимов работы оборудования.
- Исходя из требований качества обработки детали, произвести оценку, какие завершающие операции проводить.
- Подсчитать технико-экономические показатели заданного техпроцесса.
По отношению к ковке метод горячего штампования обладает своими достоинствами и недочетами:
| № п/п | Достоинства | Недостатки |
| 1. | Высокая производительность трудового процесса | Лимиты по массе получаемых деталей и заготовок, не более – 3,5 тонн |
| 2. | Качество обрабатываемой поверхности, допуском и припусков почти в 4 раза меньше; при выполнении калибровки получаемые допуски составляют 0,05 мм, поэтому мехобработке подвергаются лишь места сопряжений со смежными изделиями, а остальных поверхностей достаточная шероховатость и точность | Деформация выше, исходя из этого, используется мощное оборудование, это происходит, потому что деформации подвергается заготовка полностью, при этом течь металла подвергается сопротивлению, создаваемого стенками штампа |
| 3. | Возможность получения конструктивных элементов сложной конфигурации | Достаточно высокая цена оборудования, так как оно сложное и выполняется из качественного материала, а применяется лишь для изготовления одного вида изделия |
| 4. | Простота выполняемых операций, для этого необязательно иметь большой стаж работы, программа обучения штамповщика несложная |
Для горячей штамповки металла применяется несколько известных технологий, зависимых от следующих параметров:
- выбора оборудования;
- геометрических размеров;
- материала заготовки.
Разновидности штамповки
Классификация рассматриваемых процессов может быть выполнена по следующим критериям:
- По виду обрабатываемого металла. Если все три размерных параметра штампуемых заготовок (длина, ширина, толщина) соизмеримы между собой, то это – штамповка листового металла: листа, рулона, ленты, полосы. В противном случае говорят об объёмном формоизменении.
- По температуре заготовки. Если она не превышает 20…25% от температуры его плавления, то процесс штампования считается холодным. Такая штамповка не сопровождается изменениями в структуре деформируемого металла. Интересно, что формоизменение молибдена (температура плавления составляет 38000С) при нагреве исходной заготовки до 9000С, будет холодным.
- По характеру изменения формы металла заготовки в процессе. Различают разделительные и формоизменяющие операции обработки давлением. Примерами первых являются резка, вырубка, пробивка, перфорирование и так далее. Ко второй группе относятся высадка, осадка, вытяжка, гибка, формовка, выдавливание.
- По способу получения энергии для последующей пластической деформации. Это может быть деформирующее усилие, механическая/электромагнитная энергия или крутящий момент. Усилием штампуют металл все виды прессового оборудования, энергией – молоты, крутящим моментом – ротационно-штамповочные машины. Электроразрядная и магнито-импульсная штамповка осуществляется на специальных высокоэнергетических установках.
- По степени автоматизации: с ручной подачей исходных заготовок и автоматизированную штамповку. Первая характерна при небольших программах выпуска, а вторая – при массовом производстве изделий.
Виды штамповочных технологий
За время своего существования появилось немало методов штамповки. Массовое производство требует особого подхода, где на первое место ставится скорость и качество изготовления изделий. Ручная штамповка сейчас используется исключительно в частном порядке, для создания единичных экземпляров.
Прежде чем рассматривать способы обработки давлением, рассмотрим прочие виды штамповки:
- Магнитно-импульсная. Для изменения формы деталей используются кратковременные импульсы электрического тока.
- Изотермическая штамповка деталей. Используется для деформирования легированных и жаропрочных сортов стали. Особенность изотермического процесса заключается в том, что контактную форму нагревают до температуры деформации заготовки. В качестве рабочего оборудования используют гидравлические прессы.
- Штамповка взрывом. Разновидность импульсного способа. Активно используется в сфере производства летательных аппаратов. Принцип работы основан на передаче воздействия взрывной волны через воздух или воду. В результате заготовка деформируется, приобретая очертания используемой матрицы.
Технологический процесс, при котором изделие получают путем давления на расплавленный металл, называют жидкой штамповкой. Ввиду высокой стоимости матриц и пунсонов метод целесообразно использовать только в массовом производстве.
Листовая штамповка
Процесс обработки заготовок делят на две категории, которые отличаются рабочей температурой:
- Холодная штамповка. Данный метод считают наиболее эффективным. Его применяют для изготовления кузовных деталей транспорта. Грамотная разделка помогает рационально использовать основной материал. Наилучших показателей можно добиться, используя углеродистые и легированные стали, а также листовую медь и алюминий.
- Горячая штамповка. Как следует из названия, данный метод подразумевает предварительный нагрев заготовки. Для этого используют пламенные или электрические печи. Технологические операции данного метода абсолютно не отличаются от холодного способа производства. Единственный нюанс заключается в толщине листового металла: данный показатель не должен превышать 5 мм. С помощью данного метода производят элементы корпуса в судостроительной промышленности.
Объемная штамповка
Горячая штамповка характеризуется повышенной температурой, при которой протекает процесс. Степень нагрева зависит от используемых материалов. В отличие от штамповки жидкого металла агрегатное состояние заготовки остается неизменным.
Рассмотрим особенности каждого процесса.
Технология горячей объемной штамповки (ГОШ)
Горячую объемную деформацию деталей выполняют под воздействием температуры и давления на заготовку. Для получения необходимой формы материал нагревают и помещают в закрытые штампы. Между используемыми пресс-формами отсутствует зазор. Таким образом, готовое изделие формируется в закрытой полости, которая называется ручьем или гравюрой. Подход характеризуется низким процентом облоя, однако требует внимания на стадии заготовок.
Готовые изделия отличаются точностью размеров и качеством поверхности.
- Определяется тип штампа.
- Разрабатывается подробный чертеж.
- Технологи рассчитывают количество переходов от заготовки до готового изделия.
- Для каждого промежуточного этапа готовят индивидуальный чертеж.
- Подбирают пресс-формы для переходов.
- Определяют параметры и способ нагрева заготовки.
- Исходя из требований к детали определяют необходимые финишные процедуры.
По завершении разработки проекта экономисты рассчитывают себестоимость выполнения работ.
Метод холодной объемной штамповки
Основным недостатком технологии считают чрезмерные усилия, которые необходимо прилагать для получения готового изделия. По сравнению с ГОШ этот показатель выше в 10–15 раз. Высокие механические нагрузки негативно влияют на продолжительность эксплуатации штампов.
Выбор технологии
По выбранной технологии можно производить несколько типов деталей:
► Удлиненные – к ним относятся рычаги, валы, воротки и иные. Обработка производится плашмя при использовании штамповочного пресса. Последним этапом этой работы является фасонирование, исполняемое в заготовительных вальцах для ковки.
► Дисковые – к ним относятся кольца, диски, шестерни, крышки и иные изделия. При выполнении данной операции используется метод осадки, производимый в торец заготовки. Для этого процесса применяются штамповочные переходы.
Таблица типовых изделий для разной формы поковок с подробным описанием:
| № п/п | Краткое описание характеристики | Типовые изделия |
| Изделия удлиненной конфигурации | ||
| 1. | Прямая ось | Балки, валы, втулки, шатуны |
| 2. | Изогнутые по оси | Рычаги, предназначенные для рулевого управления |
| Симметричные | ||
| 1. | Круглые изделия | Фланцы, шестеренки и ступицы |
| 2. | Квадратные и многоугольные | Гайки, фланцевые соединения и ступицы |
| 3. | Изделия, имеющие отростки | Типа вилки и крестовины |
| Иные изделия | ||
| 1. | Комбинированной формы | Коленвалы, поворотные кулачки |
| 2. | С количеством необрабатываемых поверхностей большего объема | Рычажные элементы для переключения передач, крюки для буксира и балки для параллельных осей |
| 3. | С внутренними отверстиями и заглублениями | Валы с полостями, шестеренчатые блоки и детали для фланцевых соединений |
► Штамповочные ручьи, которые в свою очередь подразделяются на:
- Протяжные (увеличивается длина отдельных элементов на обрабатываемой заготовки, именно по этой части производится нанесение ударов с кантованием детали).
- Заготовительные (выполнение фасонирования детали или равномерное перераспределение металлической массы с минимальными потерями).
- Пережимные (при этом одновременно уменьшается высота и увеличивается ширины обрабатываемой заготовки).
- Подкатные (диаметр отдельных участков увеличивается при распределении металла по оси заготовки).
- Гибочные (производится формирование поковки заготовки с изгибом по оси под 90 0).
► Разновидности штамповочных ручьев:
- Черновые – конфигурация обрабатываемого материала в большей степени приближена к форме поковки. К особенностям относятся увеличенная глубина, радиусы и уклоны по отношению к параметрам изделия, выполненного начисто.
- Чистовые – при приобретении требуемой формы увеличиваются размеры на ту величину, на которую увеличиваются усадки металлической заготовки. Металлопрокат располагают в центральной оси штампа, так как на его оказываются максимальные усилия.
Изготовление штампов по металлу
Для изготовления штамповки из заготовки конструируются штампы по металлу. На первом этапе идет разработка чертежей со спецификацией и деталировкой.
- Рабочие части — пуансон и матрица. Изготавливаются из инструментальной стали У8а, У10а, Х12М. После термообработки получают закалку до 60 единиц по Роквеллу.
- Пуансонодержатель. Материал — Ст.3
- Прокладки. Изготавливаются из конструкционной стали со степенью закалки 45 единиц по Роквеллу.
- Съемник. Делается из Ст.3
- Верхняя и нижняя плиты. Их толщина зависит от усилия, затрачиваемого на штамповку.
- Колонки и втулки. Материалом является Сталь 20. По поверхности ведется цементация на глубину 1–1,5 мм. Затем проводится закалка этого слоя.
- Хвостовик. Вставляется в ползун пресса.
Детали для изготовления штампа
Оборудование и инструменты
Для формирования металлических изделий производятся штампы, вставляющиеся в прессах, которые бывают 2 типов:
- Кривошипно-шатунные. Основным элементом в них является ползун, двигающийся по направляющим. Сверху располагается электродвигатель, который дает толчок движению кривошипно-шатунного механизма. Снизу имеется плита, на которую ставится штамп. Оборудование быстроходное. К недостаткам относится большая сила удара при соприкосновении пуансона с металлом. В результате инструмент выкрашивается.
- Гидравлические прессы. Обладают большой мощностью. К преимуществам относится плавность движения ползуна. Благодаря этому при работе отсутствует механический удар, что приводит к длительной службе инструмента. Величина хода движения ползуна обеспечивает большую открытую высоту пространства пресса. Это дает возможность совершать операции глубокой вытяжки или гибки заготовок с высокими бортами.
Обработка металлов давлением позволяет получить за короткое время большое количество деталей. При этом они все будут иметь одинаковую форму. Точность их изготовления регламентируется ГОСТом.
Штамповочные ручьи
Поковки простой конфигурации штампуют из проката стали нужной формы – круг, прямоугольник, квадрат. Когда поковка имеет сложную форму, исходную заготовку изготавливают максимально на нее похожую производством штамповки или свободной ковки. Для таких многоуровневых операций, как правило, применяют многоручьевые штампы для последовательной деформации заготовки (фасонирования).
Технология штамповки часто происходит в несколько переходов.
Для этого требуется использование основных видов ручьев:
- штамповочные;
- заготовительные;
- отрубной ручей (нож).
Нож применим в случае последовательной штамповки ряда поковок от прутка. Готовую поковку нужно отрезать от прутка на отрубном ноже.
При горячей штамповке изделий из стали используют штамповочные ручьи.
Они подразделяются на несколько типов:
- протяжные;
- пережимные;
- заготовительные;
- гибочные;
- подкатные.
Протяжные удлиняют определенный участок заготовки.
Пережимные используют, чтобы увеличить ширину определенного участка заготовки и уменьшить его высоту.
Заготовительные штамповочные ручьи позволяют перераспределить металл заготовке таким образом, чтобы изготовленное изделие принято форму с минимальным отходом материала.
В гибочных ручьях из заготовки со смещенной осью происходит формирование поковка с углом изгиба 90°.
Целью подкатных штамповочных ручьев является равномерное распределение металла по оси заготовки, увеличивая диаметр определенных ее участков.
Штамповочные ручьи также делятся на черновые и чистовые изделия.
Это необходимо для того, чтобы черновая заготовка поместилась в чистовую гравюру. Если выполняется штамповка, этот этап следует пропускать.
В чистовых ручьях изделие получает форму, напоминающую конус. Размер детали в чистовом ручье больше на величину усадки при остывании металла. Чистовой ручей размещается в центральной части штампа из-за больших усилий, оказываемых на заготовку.
Штампы и их классификация
Штамповую оснастку различают:
- По характеру выполняемых технологических переходов (гибка, осадка, пробивка-вырубка, вытяжка и пр.);
- По количеству позиций – одно-, двух- и многопозиционные;
- По характеру течения деформируемого металла в процессе штамповки применяются открытые и закрытые штампы;
- По наличию дополнительных узлов: автоматизированные, механизированные и обычные;
- По степени универсализации: переналаживаемые и специализированные.
В некоторых случаях штампы для деформации заготовок не нужны. В частности, при ротационной штамповке их роль выполняют гладкие вращающиеся валки, между которыми прокатывается деформируемый лист металла. При магнито-импульсной формовке исходную заготовку помещают в рабочий контур установки и воздействуют на неё мощным электромагнитным полем. Для взрывной штамповки достаточно изготовить разовую деревянную (бетонную, гипсовую) модель, на которую укладывают металл, подлежащий деформации. Всю эту конструкцию помещают в бассейн, заполненный водой, после чего инициируют подрыв заряда со взрывчатым составом, который располагается на определённом расстоянии от заготовки.
Штамп состоит из следующих частей:
- Рабочего инструмента, который включает в себя пуансон и матрицу (при многопереходном штамповании их может быть несколько). Пуансон устанавливается в перемещающемся узле штампа и движется в соответствии с кинематикой исполнительного механизма штамповочного оборудования. Матрицу чаще располагают в неподвижной части, которая закрепляется на столе кузнечно-штамповочной машины.
- Опорных деталей, которые обеспечивают надёжную фиксацию штампа при выполнении соответствующей операции. К ним относят верхнюю и нижнюю плиту, хвостовик, пуансоно- и матрицедержатели.
- Направляющие элементы – колонки и втулки, по которым перемещается подвижная часть штампа. С увеличением количества направляющих узлов точность штамповки возрастает. В листовой – точность направления увеличивают за счёт применения шариковых направляющих.
- Фиксирующие элементы (упоры, ловители, ограничители), с помощью которых производится точное позиционирование заготовки перед процессом штампования. Сюда же иногда относят сбрасыватели, которыми отштампованное изделие удаляется из полости штампа.
Точность штамповки зависит также от характера течения металла в процессе его формоизменения. Например, в открытых штампах (применяемых преимущественно в горячей объёмной штамповке) течение металла по одной из координат ничем не ограничивается. При этом снижается рабочее усилие деформирования, но финишное изделие не имеет окончательной формы, поскольку избыток металла вытекает в зазор, и образует заусенец, который впоследствии приходится удалять. Это не только увеличивает количество переходов, но и ведёт к необязательному перерасходу металла. Поэтому при заметных программах выпуска продукции более экономично применение закрытых штампов.
